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Estimation et modélisation paramétrique de l’onde
glottique en vue de la caractérisation objective de la
voix pathologique
Mohammed Faouzi Smiej
To cite this version:
Mohammed Faouzi Smiej. Estimation et modélisation paramétrique de l’onde glottique en vue de la caractérisation objective de la voix pathologique. Autre. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 1991. Français. �NNT : 1991NAN10020�. �tel-01747462�
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Université de Nancy l
Centre de Recherche en Automatique de Nancy (URA821) Laboratoire d'Electricité et d'Automatique
THESE
UFR S.T. M. 1. A.
Présentée et soutenue publiquement le 22 Janvier 1991 àl'Université de Nancy l
pour l'obtention du titre de
DOCTEUR DE L'UNTVERSlTE DE NANCY l en Automatique
par
Mohammed Faouzi SMIEJ
ESTIMATION ET MODELISATION PARAMETRIQUE DE L'ONDE GLOTTIQUE EN VUE DE LA CARACTERISATION
OBJECTIVE DE LA VOIX PATHOLOGIQUE
Composition du Jury : "
./
Président: Rapporteurs : Examinateurs: M.AUBRUN B. DUBUISSON C. HUMBERT M.LAMOTTE J. BREMONT J. RAGOTA
VANT·PROPOS
Cette étude a été menée au Laboratoire d'Automatique et d'Electricité (LEA), qui est une équipe du Centre de Recherche en Automatique de Nancy (CRAN-CNRS UA 821-UNIVERSITE DE NANCY I), sous la direction de Monsieur M. LAMOTTE. Elle entre dans un cadre d'une convention passée entre le Ministère de la Recherche et de la Technologie et le CRAN-LEA, dont l'objectif est la conception d'un système de caractérisation objective de la voix humaine.
Je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur le Professeur AUBRUN, Professeur à
l'Université de Nancy 1et Directeur du Laboratoire d'Automatique et de Recherche Appliquée, de l'honneur qu'il me fait en acceptant de présider mon jury.
Que Monsieur Le professeur M. LAMOTTE accepte ici l'expression de ma considération, ainsi que mes remerciements pour l'intérêt et le concours qu'il a portés àce travail.
Je tiens à exprimer ici ma reconnaissance à Monsieur le ProfesseurJ. BREMONT qui m'a accueilli dans son Laboratoire et qui a su bien m'intégrer au sein de son équipe de recherche.
Que Monsieur le ProfesseurB. DUBUISSON, Professeur à l'Université Technologique de Compiègne, et Directeur de l'HEUDIASYC, trouve ici mes remerciements de m'avoir consacré une partie de son précieux temps pour examiner ce travail et de m'avoir apporté ses conseils les plus pertinents.
Je remercie également Monsieur le ProfesseurC. HUMBERT, Professeur àl'Université de Nancy l et Directeur du Laboratoire d'Automatique (LARA-ESSTIN), de m'avoir accordé un intérêt particulier lors de la discussion sur les points épineux de ce travail par ses remarques constructives.
J'exprime mes remerciements àMonsieur le Professeur J. RAGOT, Professeur àl'Institut Polytechnique de Lorraine, qui me fait l'honneur et l'amitié de participer à mon jury.
J'adresse également tous mes remerciements et mes amitiés àMesdames M'] VIGNERON, Maître de Conférenceàl'Université de Nancy I, S. BENZEDIA-MIRZAQ,J. BOURDACHE et J. SCHWARTZ pour leur soutien moral qu'elles m'ont accordé. Je remercie tout particulièrement tous mes amis: A. BOURDACHE, M.S. RIFFI TEMSAMANI, B. HEIT, E. LEVRAT, M. KARMOUCHE, P. DE LEPPINE, M. ELJADAOUI, T. SIMON et P.Y. KALIKY, pour leur fantastique enthousiasme et concours lors de la réalisation de ce travail.
Enfin, c'est avec une attention particulière que je remercie mes parents, mes amis et tout le reste de la famille pour leur présence et leurs encouragements.
SOM"MAIRE
ISOMMAIREI
AVANT-PROPOS
INTRODUCTION
PARTIE 1
31- Bases anatomo-physiologiques de la production de la parole 7
1-1 Eléments constitutifs de l'appareil phonatoire 7
1-1-1 La soufflerie pulmonaire 7
1-1-1-1 Les poumons 7
1-1-1-2 La cavité thoracique 8 1-1-1-3 Le système canalaire (la trachée) 9
1-1-2 Le vibrateur laryngé 9
1-1-2-1 Les cartilages 9
1-1-2-2 Le système ligamentaire et musculaire 10
1-1-2-3 L'innervation 13
1-1-3 Le résonateur pharyngo-naso- buccal 13
1-1-3-1 Le pharynx 13
1-1-3-2 Le palais et le voile
14-1-1-3-3 La cavité orale
14-1-1-3-4 Les cavités naso-sinusiennes 16
1-1-4 La commande nerveuse 16
1-2 Physiologie du système de production de la parole 18
1-2-1 Physiologie de l'expiration phonatoire 18 1-2-1-1 Débit et pression sous-glottiques 18 1-2-1-2 Mécanique respiratoire en phonation 18 1-2-2 Physiologie du vibrateur laryngé 19
SOMMAIRE
1-2-2-1 Historique
1-2-2-2 Les attaques vocaliques 1-2-2-3 Les registres 1-2-3 Physiologie de la résonance 19
20
21 21"- Pathologies de la voix humaine 27
2·1 Les dysphonies dysorganiques 27
2-1-2 Les troubles laryngés 27
2-1-2-1 Phénomènes morphologiques 27 2-1-2-2 Les altérations neurogènes 29 2-1-2-3 Perturbations endocriniennes et pharmacologiques 31 2-1-2 Les troubles respiratoires 31 2-1-3 Les troubles des cavités de résonance 31
2-2 Les dysphonies dysfonctionnelles 33
2-2-1 L'habitude vocale défectueuse 33 2-2-2 Les troubles relationnels et émotionnels 33 2-2-3 Le cercle vicieux de l'effort vocal 34 2-2-4 Quelques exemples particuliers de dysphonies dysfonctionnelles 35 2-2-4-1 Les troubles vocaux de la mue 35 2-2-4-2 L'aphonie psychogène 35
2-3 Conclusions 36
2-3-1 Ambivalence nosologique des troubles vocaux 36 2-3-2 Vers un système automatique d'aide au diagnostic 36
PARTIE II
3· Théorie acoustique de la production de la parole 41
3-1 Eléments de la théorie de la propagation de l'onde sonore
dans le système vocal 41
3-1-1 Introduction 41
3-1-2 Hypothèses 42
3-1-3 Equations de propagation 42
3-2 Les modèles physiques de la production sonore basés sur
SOMMAIRE
3-2-1 Modèles du tube uniforme 43 3-2-1-1 Tube uniforme sans perte 43 3-2-1-2 Effet des pertes sur un tube unifonne 48 3-2-1-3 Le rayonnement par les lèvres de l'onde sonore 52 3-2-1-4 La production des sons nasalisés, couplage naso-buccal 55 3-2-1-5 Nature de l'excitation et effet de couplage source-conduit 61 3-2-2 Modèlesàplusieurs tubes acoustiques 64
3-2-2-1 Equation de propagation d'une onde dans deux tubes
acoustiques 64
3-2-2-2 Conditions aux limites 66 3-2-3 Modèles de tubes acoustiques et notion du filtre numérique du
conduit vocal 68
3-2-3-1 Introduction 68
3-2-3-2 Construction du filtre numérique du conduit vocal 68 3-2-3-3 Fonction de transfert du modèle numérique du conduit
vocal 70
3·3 Modèles numériques du système de production de la parole 73
3- 3-1 Modèle d'excitation 74
3-3-2 Le conduit vocal 74
3-3-3 Filtre de rayonnement 74
4· Modélisation paramétrique du signal vocal 79
4·0 Introduction 79
4-1 Généralités sur la modélisation autorégressive 79
4-1-1 Définitions et notations 79 4-1-2 Modélisation autorégressive d'un signal stationnaire 82 4-1-2-1 Critères dans le domaine temporel 82 4-1-2-2 Critères dans le domaine fréquentiel: ajustement
spectral 83
4-1-2- 3 Lien entre les différents critères 85 4-1- 3 Considérations pratiques 85 4-1-3-1 Méthcxie d'autocorrélation 85 4-1-3-2 Méthode de covariance 87
SOMMAIRE
4-1-3-3 Ordre du modèle 88
4-1-4 Techniques numériques de modélisation 88 4-1-4-1 Prédictions directe et rétrograde 88 4-1-4-2 Calcul récurrent des coefficients du filtre d'analyse 90 4-1-4-3 Structure du filtre en treillis 9r 4-1-4-4 Quelques algorithmes 92 4-1-4-4-1 Algorithme de Levinson- Durbin 92 4-1-4-4-2 Algorithme de Leroux-Gueguen 92 4-1-4-4-3 Algorithme de Burg 93 4-1-4-5 Comparatif des algorithmes 95
4-2 Modélisation autorégressive du signal de parole 96
4-2-1 Introduction 96
4-2-2 Quelques justificatifs de l'utilisation de la modélisation autorégressive
du signal de parole 97
4-2-3 Lien entre la prédiction linéaire et le modèle des tubes acoustiques 98 4-2-4 Quelques applications de la prédiction linéaire 10 1
4-3 Autres modèles 102
4-3-1 Le modèle ARMA 102
4-3-2 Le modèle GAR ou GARMA 102
4·4 Conclusion 103
PARTIE III
1075- Description qualitativel des paramètres de la voix humaine 107
5·1 Les paramètres phonémiques 107
5-1-1 L'intensité 107 5-1-2 Le voisement 108 5-1-3 Les formants 108 5-1-4 La hauteur 108 5-1-5 La nasalisation 109 5-1-6 La labialité 109
5·2 Les paramètres prosodiques 110
5-2-1 Le contour formantique 110
5-2-2 Le contour mélodique 110
SOMMAIRE
5-3 Conclusion 112
6- Modélisation et extraction des paramètres de J'onde glottique, 115
6-1 Modélisation de l'activité glottique 115
6-1-1 Modèles à masses des cordes vocales 115 6-1-1-1 Modèle à deux masses 115 6-1-1-2 Modèles à plusieurs masses 119 6-1-2 Les signaux glottiques et leur modèles 120 6-1-2-1 Les signaux directs 120 6-1-2-1-1 Le signal électroglottographique 120 6-1-2-1-2 Autres signaux 121 6-1-2-2 L'onde débit glottique 123 6-1-3 Modèle cinétique de l'activité glottique 126 6-1-3-1 Déduction des signaux glottiques 128 6-1-3-1-1 L'aire glottique 129 6-1-3-1-2 L'aire de contact des cordes vocales 130 6-1-3-1-3 Le signal débit glottique 132 6-1-3-2 Conclusion sur le modèle de Titze 136 6-1-4 Nouveau modèle paramétrique de l'activité glottique 136 6-1-4-1 Equations de mouvement et différents paramètres 136 6-1-4-2 Défmitions des paramètres glottiques 138 6-1-4-3 Relation entre les paramètres et le geste phonatoire
pathologique 140
6-1-4-4 Déduction des signaux glottiques du modèle
paramétrique 141
6-1-4-5 Simulations des signaux glottiques dans le cadre du
modèle proposé 141
6·2 Extraction des paramètres de J'onde glottique 144
6-2-1 Techniques de filtrage inverse 144 6-2-1-1 Position du problème 144 6-2-1-2 Méthode de filtrage inverse par analyse dans la phase
de fermeture 145
SOMMAIRE
6-2-1-2-2 Procédure d'analyse et résultats 6- 2-1-2- 3 Discussion
6-2-1-3 Détection des événements ouverture/fenneture par analyse adaptative du signal
6-2-1-3-1 Principe de la méthode
6-2-1-3-2 Procédure de détection des événements 6-2-1-3-3 Exemples d'application de la procédure 6-2-2 Méthodes d'extraction des paramètres de l'activité glottique
6-2-2-1 Paramètres mesurés
6-2-2-2 Méthode basée sur le résultat du filtrage inverse 6-2-2-3 Extraction simultanée des paramètres et
de l'onde glottique
6-2-2-3-1 Principe de la méthode 6-2-2-3-2 Mise en oeuvre de la méthode
6-3 Programme général de mesure des caractéristiques de la
humaine
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE
147 151 152 153 154 155 158 158 159 163 163 166voix
167 173 175 1851
2 1
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j
j
j
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j
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j
JINTRODUCTION
IINTRODUCTIONI
La communication parlée est le propre de l'Homme. Conscient de sa faculté de produire divers sons, il a su créer un système de représentation des concepts par un ensemble d'associations des différents sons émis: c'est la naissance d'un langage parlé, moyen de communication entre les êtres humains.
Une atteinte fonctionnelle d'un organe de la phonation peut, dans certains cas, être un handicap majeur dans le processus de la communication du sujet et avoir des répercussions sur son équilibre psychique. Notre travail a pour but de concevoir un système d'évaluation objective de la qualité fonctionnelle de la production de la parole. Précisons de prime abord, qu'en aucun cas notre objectif est de remplacer le praticien des pathologies de la voix, mais tout simplement, de lui fournir un outil automatique de mesure, pouvant l'aider dans son diagnostic. Il est clair que dans ce domaine le praticien dispose déjà d'un ensemble d'appareils de mesure, plus ou moins sophistiqués (électroglottographe, radiologie par rayons X, sonographe, cinématographie ultra-rapide, résonance magnétique ... ); cependant, les mesures fournies par ces appareils ne donnent qu'un aspect particulier de la phonation (un sonograrnme par exemple, fournit une représentation temps-fréquence du signal de parole). Nous nous sommes fixés l'objectif de concevoir un système de mesure, pouvant fournir des renseignements sur les différents aspects du système de production. Ce système doit avoir les performances suivantes:
- ilne doit pas perturber le mécanisme de la phonation,
- les mesures doivent être très diverses, de manière à couvrir les différents aspects de la production,
- la convivialité du système et sa facilité d'utilisation sont des qualités appréciables que nous rechercherons. De plus, les traitements doivent s'effectuer dans la mesure du possible "en temps réel". En fait, tout au long de ce travail, nous nous sommes plus intéressés aux traitements permettant de caractériser la voix humaine plutôt qu'à la réalisation en temps réel.
Devant un tel problème, nous nous sommes interrogés sur la démarche à suivre pour atteindre notre objectif. Automaticien de formation, nous imaginions l'étude comme un problème d'identification d'un modèle du système de production de la parole (boite noire). Une phase de modélisation du système était donc primordiale. Cependant, les méthodes d'identification nécessitent la connaissance à la fois du modèle et de la commande. Une telle attitude ne peut être adoptée, puisque nous ne pouvons pas intervenir sur la commande, qui dans notre cas est la source du système de production. Il a donc fallu changer de stratégie et considérer le problème comme une modélisation du signal de sortie, et identifier par la suite le
3-INTRODUCTION
système de production (conduit vocal, éventuellement conduit vocal+conduit nasal) et la source (lkbit glottique).
La première partie de notre rapport, composée de deux chapitres, pennet de mettre en valeur d'une part la complexité de l'anatomie du système de production et d'autre part l'origine des pathologies de la voix. Nous pensons utile d'inclure la description de l'anatomie et de la physiologie de la production de la parole, pour bien introduire ensuite les modèles physiques et mathématiques du système. Nous insistons en particulier, dans le deuxième chapitre, sur l'étiologie des pathologies laryngiennes, puisqu'il nous semble intéressant d'étudier l'activité glottique et les répercussions des atteintes du larynx sur la phonation.
La deuxième partie a pour objet principal l'établissement d'un modèle numérique du processus de la production de la parole. La théorie acoustique présentée au troisième chapitre, permet de mettre en place un modèle physique décrit par un ensemble d'équations diffàentielles. En revanche, le quatrième chapitre établit le passage du modèle physique àun modèle mathématique qui donne le moyen d'extraire diverses infonnations sur le conduit vocal à panir du signal de parole (fonction d'aire, coefficients de réflexion ... ). Après un rappel sur la prédiction linéaire et les processus autorégressifs, nous montrons, de même, que le signal de parole peut être modélisé par un tel processus. Nous y mentionnons d'autres modélisations souvent utilisées en traitement de la parole (ARMA, ARMAX).
Le système de mesure est décrit en détailàla troisième partie. Dans un premier chapitre (chapitre 5), nous décrivons l'ensemble des paramètres caractérisant la voix humaine. Nous les classons en deux groupes: paramètres globaux et paramètres locaux. Les premiers sont des mesures quasi-instantanées (effectuées sur des fenêtres de petite taille), les seconds sont des mesures de variation des premiers en fonction du temps (contours fonnantiques ... ). Le dernier chapitre, constitue l'étape finale de notre travail. En premier lieu, nous présentons les moyens techniques d'extraction des signaux glottiques, ainsi qu'une synthèse des différents modèles paramétriques du débit glottique. Nous étudions ensuite, le modèle cinétique de Titze, qui permet de caractériser en détail l'activité glottique. Nous y apportons une modification en considérant séparément le comportement des deux cordes vocales. il s'avère utile pour notre application, de considérer des paramètres supplémentaires de ce modèle, puisque les atteintes au niveau du larynx peuvent être unilatérales (deuxième chapitre). A la fin du chapitre, nous décrivons les méthodes de filtrage inverse ainsi que celles d'extraction des paramètres.
Une conclusion générale comportant notre appréciation sur notre travail et les perspectives dans ce domaine, achève le présent rapport.
PARTIE
1
1-
BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES DE LA
PRODUCTION DE LA PAROLE
PARTIE l . CHAPITRE 1 BASES ANATOMO·PHYSIOLOGIQl)ES
BASES ANATOMO.PHYSIOLOGIQUES
DE LA PRODUCTION DE LA PAROLE
Dans ce chapitre, nous décrivons les principaux organes mis en jeu pendant la phonation, en insistant plus particulièrement sur l'aspect physiologique de la genèse de la phonation.
1-1 Eléments constitutifs de l'appareil phonatoire
Schématiquement, l'appareil phonatoire peut être subdivisé en trois parties (Fig 1-1) : - la soufflerie pulmonaire et son appareil canalaire,
- le vibrateur laryngé,
- le pavillon pharyngo-bucco-nasal, faisant office de résonateur.
3
2
1
Figure 1-1. Schéma de l'appareil phonatoire:
1. Soufflerie pulmonaire et appareil canalaire 2. Vibrateur laryngé
3. Pavillon pharyngo-bucco-nasal
Ce partage est désormais devenu classique, mais il est intéressant d'examiner l'unité et la synergie anatomo-fonctionnelle de ces trois éléments, ainsi que leur coordination commandée par le système nerveux.
-PARTIE 1 - CHAPITRE l
1-1-1 La soufflerie pulmonaire
1-1-1-1 Les poumons
BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
La fonction première des poumons est la respiration (l'hématose: oxygénation sanguine) qui est une fonction involontaire. Pour la phonation, fonction volontaire commandée par le système nerveux, les poumons jouent le rôle d'un réservoir d'air qui y est mis sous pression. Ce réservoir élastique a des parois extensibles dont la motilité est assurée par un système musculaire extrinsèque. L'élasticité des poumons est due
à
la structure anatomique de cet organe. En effet, chaque poumon est divisé en lobes, se partageant eux-mêmes en lobules; chaque lobule est délimité par des cloisons fibreuses doublées d'un réseau élastique. De plus, la bronche souche, qui pénètre dans chacun des poumons au niveau du hile, se ramifie en bronches extralobulaires de calibre progressivement décroissant aboutissant finalement à un lobule. Ainsi dans chaque lobule pénètre une bronchiole intralobulaire se divisant elle-même en bronchioles alvéolaires.Dans les conditions normales, les mouvements des poumons sont étroitement liés aux modifications du volume de la cage thoracique, car chacun d'eux est solidaire de celle-ci par l'intermédiaire d'une membrane séreuse. Cette membrane dite plèvre viscérale, se présente sous la forme d'un sac sans ouverture favorisant le glissement du poumon sur la paroi de la cage thoracique.
1-1-1-2 La cavité thoracique
C'est un ensemble de douze paires de côtes, maintenues en place par un tissu conjonctif et élastique et actionnées par des muscles ayant pour effet, en se contractant, de diminuer ou d'augmenter le volume de la cavité thoracique et des poumons.
L'expansion de la cage thoracique se fait dans les trois plans de l'espace: - latéral transverse,
- antéro-postérieur, - vertical.
En phase phonatoire, les muscles intervenant dans le mouvement de la cavité thoracique sont indiqués sur la figure 1-2.
-PARTIE l - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQT.JES 1. Intercostaux externes 2. Scalènes 3. Sterno-cléido- mastoïdien 4. Intercostaux internes 5. Droit de l'abdomen
6. Oblique externe de l'abdomen 7. Oblique interne de l'abdomen 8. Transverse de l'abdomen
Figure 1-2. Muscles respiratoires
1-1-1-3 Le système cavalaire (la trachée)
Ce système pennet le transport du flux aérien jusqu'au niveau du vibrateur laryngé. Il est constitué de conduits rigides dotés d'une annature cartilagineuse. La trachée est constituée de 18 anneaux cartilagineux incomplets à leur partie postérieure et en fonne de fer à cheval. Elle se bifurque en deux bronches souches, une par poumon.
La rigidité anatomique du système canalaire fait de celui-ci un résonateur secondaire dans la phonation.
1-1-2 Le vibrateurlaryn~é
Situé à l'extrémité supérieure de la trachée, le vibrateur laryngé assure deux fonctions: - fonction sphinctérienne, assurant d'une part la protection des voies respiratoires pendant la déglutition et d'autre part une consolidation de l'annature thoracique par un raidissement musculaire lors d'un soulèvement de charge (blocage glottique d'effort).
- fonction vibratoire pennettant la phonation.
Nous décrirons les principales composantes du vibrateur laryngé àsavoir les cartilages, les systèmes ligamentaires et musculaires et enfin son innervation.
1-1-2-1 Lescartila~es
Le squelette laryngé est constitué par des cartilages hyalins:
-PARTIE l - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
- le cartilage thyroïde impair et médian, - le c3Itilage cricoïde impair et médian,
- les cartilages aryténoïdes pairs et latéraux avec leurs petits cartilages: les comiculés - le cartilage épiglottique.
Mentionnons de plus l'os hyoïde qui joue un rôle important dans l'appareil suspenseur du larynx. La figure 1-3 présente l'aspect anatomique de ces cartilages ainsi que l'os hyoïde. Ces c:u-tilages sont articulés entre eux et suspendus à l'hyoïde, :lU crâne et la mandibule, par un système ligamentaire et musculaire.
grandes cornes
pomme d'Adam
(repère anatomique du cou) cornes supérieures
(insertion des ligaments thyro-hyoïdiens latéraux) petites cornes
cornes inférieures: articulation avec le cricoïde par les surfaces articulatoires
(mouvement de bascule) 5 2 '---,...--...
3~
surfaces articulatoires ( rotation autours d'un axevertical et glissements latéraux) insertion antérieures
des cordes vocales lames massives formant un angle dièdre (90°)
arc Figure 1-3. Os hyoïde et carilages laryngés:
1. Cartilage thyroïde 2. Cartilage cricoïde 3. Cartilage aryténoïde 4. Cartilage comiculé 5. Os hyoïde
1-1-2- 2 Le systèmeligamentaire et musculaire
a- Lesystème ligamentaire
On distingue deux sortes de ligaments:
-PARTIE l - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
- extrinsèques rattachant le vibrateur laryngéàson environnement: · ligaments thyro-hyoïdiens,
· ligament crico-trachéal,
· ligaments pharyngo-épiglottiques et glosso-épiglottiques, - intrinsèques:
· ligament thyro-épiglottique, · ligament crico-thyroïdien, · ligaments ary-corniculés,
· membrane fibro-élastique du larynx.
b-Le système musculaire
Nous présentons dans la figure 1-4, les principaux muscles extrinsèques.
1. Stylo-hyoïdien 2. Digarstrique 3. Stylo-pharyngien 4. Genio-glosse 5. Thyro-hyoïdien 6. Sterno-hyoïdien 7. Omo-hyoïdien 8. Sterno-thyroïdien
Figure 1-4. Muscles extrinsèques du vibrateur laryngé: de 1à 4 : muscles élévateurs
de 5 à 8 : muscles abaisseurs
Les muscles intrinsèques sont les muscles intervenant dans les fonctions d'adduction (rapprochement), d'abduction (écartement) et de tension des cordes vocales et sont présentés dans les schémas des figures 1-5 à 1-7.
-PARTIE 1- CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
a)
...
~Figure 1-5. Abduction des cordes vocales par l'action des muscles crico-arythénoïdiens postérieurs
b)
~
Figure 1-6. Adduction des cordes vocales par l'action des muscles: a) crico-arythénoïdiens latéraux
b) arythénoïdiens transverse et oblique
, ,
Figure 1-7. Mécanisme de tension intrinsèque de la corde vocale par l'action du muscle crico-thyroïdien (vue supérieure)
-PARTIE l . CHAPITRE l
1-1-2-3 L'innervation
BASES ANATOMO·PHYSIOLOGIQlJES
Le système d'innervation des muscles du vibrateur laryngé est constitué par la dixième paire et par le nerf récurrent. La figure 1-8 schématise l'innervation des muscles intrinsèques du larynx
2 -...
1. Nerf X (gauche)
avec le ganglion inférieur 2. Nerf laryngé supérieur:
- branche externe: innervation du erica-thyroïdien - branche interne: nerf sensitif
3. Nerf laryngé essentiellement moteur a- branche postérieure:
innervation du constricteur inférieur du larynx
b- branche antérieure:
innervation de tous les muscles intrinsèques 4. Rameau de communication des nerfs laryngés
interne et récurrent
Figure 1-8. Innervation du larynx
1-1-3
Le
résonateurphsuyn~o-naso-buccal1-1-3-1 Le phsuynx
Carrefour aéro-digestif, le pharynx constitue un pavillon musculaire s'étendant dela base du crâne jusqu'au niveau du cricoïde, où commence l'œsophage. Il est constitué de deux parois
-PARTIE l - CHAPITRE l BASES ANATOMo-PHYSIOLOGIQUES
latérales très mobiles, d'une paroi postérieure adhérant au tissu prévertébral et d'une paroi antérieure incomplète au niveau des communications pharyngo-buccales et pharyngo-nasales. Le pharynx est doté de deux systèmes vélaires, l'épiglotte et la valve vélo-pharyngée. Cette dernière joue un rôle capital dans la phonation (séparation des sons nasalisés et non nasalisés).
Le système musculaire pharyngé peut être divisé en deux groupes fonctionnels:
- les muscles constricteurs fonnés par des fibres circulaires; parmi ces muscles, notons le constricteur supérieur (au niveau de l'apophyse ptérygoïde), le constricteur moyen (au niveau de l'hyoïde) et le constricteur inférieur (le thyroïde et le cricoïde).
- les muscles élévateurs à fibres longitudinales essentiellement les palato-pharyngiens et les stylo-pharyngiens.
1-1- 3-2 Le palais et le voile
Le palais est de structure osseuse sur sa partie antérieure et se termine en arrière à sa partie médiane par la luette. Le voile du palais contient plusieurs muscles assurant ses mouvements phonatoires et de déglutition. Le schéma de la figure 1-9 résume l'action musculaire sur le voile du palais.
4
1. Elévateur du voile du palais 2. Tenseur du voile du palais 3. Hamalus
4. Crâne
Figure 1-9. Mécanismes d'action musculaire sur le voile du palais
1-1-3-3 La cavité orale
Les arcades dentaires inférieures et supérieures séparent la cavité orale proprement dite du vestibule oral, se terminant par les lèvres.
Le
plancher de la cavité buccale comprend le muscle mylo-hyoïdien qui supporte la langue.Parmi les organes de la cavité orale on note:
- la langue: organe extrêmement mobile et riche en muscles, elle joue un rôle essentiel dans la prononciation. Elle est rattachée au plancher par le frein lingual et
à
l'hyoïde par la membrane glosso-hyodïenne. Les muscles intrinsèques et extrinsèques de la langue sont-PARTIE l - CHAPITRE 1
représentés dans le schéma de la figure 1-9.
BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQlTES
Figure 1-9. Action schématique des principaux muscles de la langue 1- Muscles palato-glosses
2- Muscles génio-glosses 3- Muscles hyo-glosses 4- Muscles stylo-glosses
5- Muscle longitudinal supérieur
6-
Muscle longitudinal inférieur--- les joues sont fonnées essentiellement par les muscles buccinateurs.
- les lèvres: ayant une importance capitale articulatoire, les lèvres ont une structure musculaire développée, représentéeàla figure 1-10.
- la mâchoire inférieure: en rapport très étroit avec l'hyoïde et la langue, ses mouvements ont une influence sur la morphologie bucco-pharyngée. De par son rôle dans la physiologie masticatoire, elle possède également un appareil musculaire complexe.
-PARTIE l - CHAPITRE l BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
Figure 1-10. Muscles de la motricité labiale
1- Relévateur naso-Iabial 2- Relévateur de la lèvre supérieure 3- Petit zygomatique 4- Grand zygomatique
5-
Buccinateur6-
Risorius 7- Dépresseur de l'angle de la bouche 8- Dépresseur de la lèvre inférieure 9- Orbiculaire de la bouche10- Relévateur de l'angle de la bouche
1-1-3-4 Les cavités naso-sinusiennes
La cavité nasale est délimitée d'un côté par les narines et de l'autre par les orifices pharyngés ou choannes. Elle est divisée plus ou moins symétriquement par le septum nasal et elle contient de chaque côté trois cornets recouverts d'une muqueuse. La cavité nasale communique avec les sinus paranasaux. Aucun muscle n'agit sur la morphologie de ces cavités pneumatiques, ce qui fait que la cavité nasale intervient dans la phonation comme résonateur statique.
1-1-4 La commande nerveuse
L'émission sonore et l'articulation verbale sont le résultat d'une synergie des actions musculaires de toutes les composantes des voies respiratoires. Elles sont commandées par des voies motrices primaires partant du cortex moteur et prémoteur (l'aire de Broca située au dessous de l'intersection des scissures de Rolando et de Silvius). Cette aire est en communication avec des voies motrices secondaires appartenant au système extra-pyramidal. Notons de plus que le cervelet joue un rôle de régulation et de coordination dans la phonation. Le tableau 1-1 résume les voies motrices nerveuses de la phonation.
-PARTIE 1 • CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQlIES NOYAUX CENTRAUX NERFS PERIHERIOUES MUSCLES EFFECTEURS ACTION MUSCULAIRE Niveau protubérantiel
du Nerf maxillaire inférieur Muscles des mâchoires
(V3)
Noyau moteur Tnjumeau
Noyau moteur du/acial
Niveau bulbaire
N. facial(VII)
Tenseur du voile du palais Mylo-hyoïdien
Digastrique
Muscles des joues et des lèvres Stylo-hyoïdien Digastrique Fermeture ouverture mâchoires Tension du du palais Elévation larynx Mouvements articulatoires faciaux Elévation larynx et des voile du du
N. glosso-pharyngien (IX) Constricteurs du pharynx
Niveau médullaire cervical
1 Cl (hypoglosse)
N. spinal (XI)
Noyau de l'hypoglosse N. hypoglosse (XII)
C l · C3 anse de Stemo-hyoïdien l'hypoglosse Occl usion du nasopharynx Mouvements vélaire Mouvements pharyngés et laryngés Mouvements articulatoires bucco-pharyngés Elévation du larynx Abaissement de l'hyoïde Abaissement et stabilisation du larynx Inspiration forcée Inspiration Inspiration Elévateur du voile du palais Muscles du larynx Muscles lingaux Génio-hyoïdien Thyro-hyoïdien Omo-hyoïdien Stemo-th yroïdien Stemo-cléido-mastoïdien Trapèze Diaphragme Scalènes C2 . C4 racine médullaire du spinal C3 - CS nerf phrénique Cl - C4 plexus cervical profond N. pneumogastrique (X) 2-4 1 - 3 3 - S 1 - 4 Noyau ambigu
Niveau médullaire dorsal
1 - Il 7 - 12 Dl . Dll intercostaux D7 - D 12 intercostaux
nerfs Intercostaux internes et Mouvements
externes respiratoires
nerfs Muscles antérieurs et
latéraux de la paroi Expiration
abdominale
Tableau 1-1. Voies nerveuses motrices de la phonation
-PARTIE l - CHAPI1RE l BASES ANATOMO-PHYSIOLOOIQUES
1-2 Physiologie du système de production de la parole
Dans ce paragraphe, nous présenterons les aspects physiologiques les plus importants de l'appareil phonatoire, en mettant en parallèle les physiologies phonatoire et respiratoire. Nous insisterons en particulier sur le vibrateur laryngé pour lequel nous présenterons brièvement un historique des différentes théories de la vibration laryngée. En fin du paragraphe, nous d~crironsqualitativement la physiologie du résonateur pharyngo-bucco-nasal.
1-2-1 Physiologie de l'expiration phonatoire
1-2-1-1 Débit et pression sous-glottiques
En expiration libre, la différence de pression entre les niveaux sous-glottiques et sus-glottiques est minime car le sphincter glottique est largement ouvert. Par contre, en expiration phonatoire, équivalente à une respiration "sous contrainte", la pression sous-glottique et le débit trans-glottique sont très variables de manière às'adapter en permanence aux contraintes du phrasé en réglant les paramètres acoustiques.
Il en résulte que:
- le temps expiratoire s'allonge considérablement,
- l'expiration devient active nécessitant la contraction musculaire expiratoire, plus particulièrement la sangle alxiominale,
- le rythme respiratoire perd sa régularité pour s'adapter par de fréquentes pauses aux impératifs de la phonation (intonation, ponctuation et mélodie).
Les débits aériens au niveau glottique sont de nature différente pour une expiration phonatoire et une expiration respiratoire. Pour la première, le débit aérien est de nature turbulent àcause de la variation impédantielle glottique. Par contre, il est laminaire pour une expiration respiratoireàcause de la nature de l'écoulement de l'air et la faible pression sous-glottique.
1-2-1-2 Mécanique respiratoire en phonation
Les inspirations, qui en respiration libre ne font intervenir que la contraction du diaphragme et des muscles intercostaux externes, sont plus rapides et plus profondes au cours de la phonation. Elles sollicitent en plus des muscles inspirateurs accessoires (scalènes, sterno-cléido-mastoïdiens) .
L'expiration phonatoire se caractérise par une mise en tension plus ou moins ferme du
-PARTIE 1 - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
thorax par la contraction tonique antagoniste des muscles inspirateurs et expirateurs, évitant ainsi un relâchement de la musculature thoraciques après les inspirations. Bien que cette posture conserve sa fenneté, elle se modifie progressivement à mesure que l'expiration phonatoire progresse.
1-2-2 Physiologie du vibrateur laryngé
1-2-2-1 Historique
Plusieurs théories tentant d'expliquer la genèse du son laryngé dans la phonation, ont vu le jour depuis plus d'un siècle.
- Théorie myo-élastique
Cette théorie due à Ewald (fm XIX ème siècle) et mise àjour par plusieurs auteurs (Van Den Berg, Vallencien, Hirato), affirme que la vibration résulte du passage du flux aérien expiratoire entre les cordes vocales plus ou moins tendues en position d'adduction. La vibration est donc passive, puisque le système nerveux n'y intervient que pour le maintien tonique de cette adduction et pour le réglage de la tension des cordes vocales.
- Théorie muco-ondulatoire
Perello (1962) explique la vibration par les propriétés ondulatoires de la muqueuse de la corde vocale. En effet, cet épithélium possède une grande liberté de mouvement par rapport au plan tissulaire, en raison de l'existence sous l'épithélium d'un espace (de Reinke) qui se comporte comme une poche séreuse.
- Théorie neuro-chronaxique
Elle repose, selon Husson (1950), sur un postulat selon lequel la vibration des cordes vocales est d'origine neuro-musculaire, donc active et induite par des influx récurrentielsàla fréquence du son émis. Bien que cette théorie comble certaines des lacunes précédentes telles que la différenciation hauteur-intensité, son postulat a été inftrmé par de l'expérimentation neuro-physiologique.
- Théorie oscillo-impédantielle
La corde vocale est considérée comme un oscillateur entretenu, dont la fréquence est déterminée par l'inertie et l'élasticité de la portion vibrante et dont l'apport périodique d'énergie est constitué par l'onde de pression sous-glottique.
-PARTIE l - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
Le mouvement vibratoire nonnal de la corde vocale est tri-dimensionnel; en effet, chaque point de lacorde a une trajectoire ellipsoïdale dont la principale composante est horizontale. Le bord li bre présente dans le plan frontal une dynamique vibratoire différenciée, illustrée dans le schéma de la figure 1-11.
a)~~~ll
b)~~~~((~
l
2
3
4
5
Figure 1-11. Dynamique vibratoire des bords libres des cordes vocales a) vue supérieure
b) coupe longitudinale
Les propriétés impédantielles (masse, raideur, viscosité) sont étroitement conditionnées par le muscle vocal. Sa structure fibrale étant un enchevêtrement de petits groupes torsadés de fibres musculaires, le muscle vocal pennet une régulation très fine des facteurs masse effective et raideur. Cette structure explique aussi l'incurvation macroscopique du bord libre de la corde vocale que l'on peut observer immédiatement avant la vibration.
La contraction des fibres musculaires vocales est contre-balancée par celle des crico-thyrodïens, qui agissent par un mécanisme de bras de levier constitué par le cricoïde et les arythénoïdes. La solidarité de ces cartilages est alors assurée par la contraction des autres muscles s'insérant sur eux. Ce mouvement de bascule a pour effet un allongement appréciable des cordes vocales (20-30% ), et a pour conséquence, un accroissement de la tension et une diminution de l'épaisseur. ilpennet donc l'accession aux notes aigües du registre de tête.
L'intensité sonore ne dépend, selon cette théorie que de l'amplitude de la pression sous-glottique.
1-2-2-2 Les attagues vocaliques
L'attaque vocalique permet de décrire "l'état initial" de la glotte, précédant l'émission sonore. On en distingue deux modalités physiologiques aussi bien par l'analyse acoustique que par le comportement glottique: l'attaque douce et l'attaque dure.
Pour la première, les deux arythénoïdes sont en abduction, et les bords libres des cordes vocales présentent une légère concavité, donnant à l'aire glottique une configuration fusifonne.
-PARTIE 1 - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO·PHYSrOLOG IQlJES
En phase pré-phonatoire, l'air passe à travers ce fuseau, amorçant une vibration de plus en plus ample qui a donc commencé glotte ouverte.
U ne exagération de cette attaque est appelée attaque soufflée. Dans ce cas, on note un important asynchronisme entre le début de la vibration des cordes vocales et le passage d'air; un bruit aérien parasite est alors nettement audible.
Pour l'attaque dure, les cordes vocales commencent à se placer en position d'adduction obturant ainsi la glotte. Les plis vestibulaires s'écartent légèrement. La pression sous-glottique monte progressivement jusqu'à "forcer" le barrage glottique, et à déclencher le premier cycle vibratoire. La phonation a commencé glotte fennée.
Le cas extrême de cette attaque correspond au "coup de glotte". Il est caractérisé d'une part par une montée soudaine de la pression sous-glottique, et par un manque d'écartement des plis vestibulaires. Dans ce cas la sonorité présente un caractère explosif et manque de netteté et de tonalité.
1-2-2-3 Les registres
Ce sont, au sein de la tessiture, des ensembles de tons contigus, correspondant à des notes musicales, qui possèdent en commun une consonnance et un timbre propres caractéristiques, qui les différencient d'autres tons ayant également un autre timbre particulier.
Indépendamment de la fréquence fondamentale et de l'intensité, les registres pennettent de caractériser le mode vibratoire du larynx. Nous distinguons comme Hollien (1972) trois registres pour la parole, dont nous résumons les caractéristiques dans le tableau 1-2.
1-2-3 Physiologie de la résonance
Un aspect important dans la morphologie du système de production de la parole est le phénomène de résonance de toutes ses cavités.
Les cavités trachéobronchopulmonaires ont des fréquences propres de l'ordre de 50 -100 à 300 Hz. Leur caractère statique fait que ces cavités n'interviennent pas dans le codage acoustico- phonémique.
Les ventricules du larynx, d'une taille très réduite de 0,5 à 1 cm3, ont un rôle accessoire de "chambre de compression".
D'autre part, les cavités pharyngo-naso-buccale, dont la morphologie est très variable, donnent naissance à des résonances ou "fonnants", quand elles sont couplées au vibrateur laryngé.
Au départ, la voix contient les harmoniques du fondamental. Certains de ces harmoniques
-PARTIE l - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOL<Xi IQUES
vont être renforcés, d'autres étouffés, par l'agencement des pavillons articulatoires. Ainsi l'énergie acoustique va être concentrée dans le spectre sonore, autour de ces zones forman tiq LIes.
Registre Etendue
Masculine Féminine
Mode vibratoire
Registre grave ou de poitrine
Bas de la tessiture Bas de la tessiture
jusqu'à plus ou jusqu'àré4-fa4
moins ré3-fa3
- Registre de la phonation parlée
- Cordes vocales plus ou moins tendues
- Vibration des cordes vocales sur toute la longueur avec une
composante appréciable
d'affrontement des bords libres - Le résonateur thoracique largement sollicité: perception subjective d'une résonance dans la ooitrine Registre aigu ou de tête deré3-fa3 jusqu'au haut dela tessiture (exceptées celles du registre de f1agelot) 1 deré4-fa4 jusqu'au haut de la tessiture (exceptées ceUes du registre de fausset)
- Correspond aux sons couverts - Les cordes vocales s'allongent avec une tension accrue des bords libres et une diminution relative de la masse vibrante - Agrandissement de la cavité
pharyngée dans toutes ses
dimensions: légère descente du larynx, projection en avant de la langue, relèvement du voile du palais
- La résonance est perçue dans la cavité crânienne
Registre de fausset (homme) de f1agelot (femme)
Etendue du registre de tête à quelques degrés plus haut
- Voix acoustiquement grêle se rapprochant de la voix infantile - Pour les sons les plus graves:
*
tension passive des cordesvocales par l'action des crico-thyroïdiens;
*
relâchement des musclesvocaux;
*
toute la partieintennembranacée participe à la vibration. - Pour les sons les plus aigus:
*
les muscles vocaux prennentune tension active;
*
vibration réduite n'intéressantqu'une partie de la région intennembranacée de la glotte, le restant demeurant figé en accolement fenne;
*
tension maximale de tous lesmuscles intrinsèques
Tableau 1-2. Les registres de la voix humaine
-PARTIE I - CHAPITRE 1 BASES ANATOMO-PHYSIOLOGIQUES
Dans chaque spectre vocalique, on peut relever deux formants principaux pouvant correspondre d'une partàla cavité pharyngée, d'autre partàla cavité buccale.
Il est à noter les variations inter-locuteurs des forrnants pour un même phonème et les variations contextuelles, pour un même locuteur, dépendant de son environnement émotionnel.
2- PATHOLOGIES DE LA VOIX HUMAINE
PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMArNE
PATHOLOGIES DE LA VOIX HUMAINE
L'élaboration d'un système automatique de mesures objectives sur la voix humaine, en vue d'une aide au diagnostic des troubles vocaux, nécessite une bonne connaissance de l'origine de ces troubles, leur localisation et dans la mesure du possible leur incidence sur la phonation.
Dans ce chapitre, nous présenterons de façon non exhaustive les dysphonies dysorganiques, les dysphonies dysfonctionnelles et celles à caractère ambivalent. Nous attacherons une importance particulière aux répercussions qualitatives sur la production de la parole.
2·1 Les dysphonies dysorganiques
Nous qualifions une dysphonie de dysorganique, celle dont l'origine est extrinsèquement mécanique; c'est-à-dire tout phénomène histologique lésionnel qui perturbe mécaniquement le fonctionnement de l'appareil phonatoire. Nous classerons ces dysphonies, selon la localisation du dysfonctionnement, en trois catégories.
2-1-1.Les troubles laryn~és
Le vibrateur laryngé, jouant un rôle primordial dans la phonation, tout trouble l'affectant se répercute d'une façon ou d'une autre sur la qualité de la voix.
Ces troubles peuvent avoir différentes origines et différentes formes: - troubles affectant la morphologie du larynx,
- troubles affectant le système nerveux (périphérique ou central), - troubles provenant d'autres phénomènes.
2-1-1-1 Phénomènes mornholo~iÇJ,ues
Ces phénomènes sont de plusieurs types et de différentes origines;
- Traumatiques extrinsèques et intrinsèques: ce sont toutes les fractures et luxations aryténoïdiennes, les blessures des muqueuses provenant de corps étrangers (intubations par exemple) ou le coup de fouet laryngien (utilisation abusive professionnelle de la voix) etc...
- Inflammatoires et infectieux aigus ou chroniques: parmi les agents des infections chroniques, notons les attaques microbiennes, virales ou mycotiques (tuberculose par
-27-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
exemple), les irritants locaux et les cancérigènes de la fumée de tabac, l'alcool favorisant une congestion chronique qui facilite les autres effets irritatifs, les gaz et les poussières, etc ...
Nous illustrons un exemple des effets histologiques du tabagisme dans la figure 2-1
Figure 2-1. Exemple des effets du tabagisme sur les cordes vocales : Œdème de RINKE
- Effets tumoraux: l'incidence des tumeurs bénignes ou malignes sur la voix dépend plus de la localisation de la lésion que de sa taille. Ces lésions gênent la phonation normale en déformant les bords libres des cordes vocales, en empêchant une adduction complète et en inégalant les masses des deux cordes vocales. La figure 2-2 illustre quelques tumeurs bénignes
ètla figure 2-3 présente un exemple de tumeur maligne affectant les cordes vocales.
a) b)
c)
Figure 2-2. Exemples de tumeurs bénignes des cordes vocales a) kyste de la corde vocale droite
b) polype bilatéral
c) granulome d'intubation bilatéral
-28-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLCXJIE DE LA VOIX I-f1.JNIAINE
Figure 2-3. Epithélioma débutant d'une corde vocale
2-1-1-2 Les altérations neuro~ènes
Elles sont de deux types selon leur localisation: les altérations périphériques et centrales. Les altérations neurogènes périphériques se manifestent au niveau du larynx par des paralysies ou parésies des cordes vocales dont la grande majorité (90%) sont unilatérales. Selon la position de la paralysie d'une corde vocale, l'incidence sur la phonation varie:
- en position d'abduction, la voix est peu altérée et parfois bitonale,
- en position paramédiane, au début de l'altération, on note un timbre modérément altéré avec parfois des cas de bitonalité,
- en position intermédiaire, la voix est souvent râpeuse, partiellement soufflée au timbre très impur, surtout lorsque le nerf laryngé supérieur est atteint,
- en adduction, position de paralysie très rare, on observe une aphonie.
La figure 2-4 montre les différentes positions de paralysie en phase respiratoire et phonatoire.
-29-PARTIE l - CHAPITRE 2
position respiratoire
PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
position phonatoire 1)
2)
3)
4)
5)
Figure 2.4. Schéma laryngoscopique de quelques paralysies laryngées classiques. 1) paralysie du crico-thyroïdien droit
2) paralysie en abduction de la corde vocale droite 3) paralysie en adduction de la corde vocale droite 4) paralysie bilatérale en abduction
5) paralysie bilatérale en adduction
Les atteintes neurogènes périphériques peuvent avoir comme effet, dans de rare cas, des diplégies (parésies bilatérales) soit en fermeture soit en ouverture. Dans le cas d'une diplégie en fermeture (fente glottique de 1à2 mm), la voix est altérée sans aphonie. Par contre pour une
-30-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUi'vlAIN'"E
paralysie en ouverture on constate une aphonie avec parfois des fausses routes alimentaires mais pas de dyspnée (gêne de respiration).
Les altérations neurogènes centrales sont des atteintes des voies nerveuses centrales de la phonation au-dessus de l'étage nucléaire bulbaire. Elles prennent origine àpartir de troubles vasculaires, de tumeurs ou d'affections dégénératives. Essentiellement, ces altérations réalisent des dysarthries et se répercutent sur la voix pour donner naissance au syndrome de dysphonie dysarthrique.
Parmi ces syndromes notons le syndrome moteur pseudo-bulbaire caractérisé par une voix faible et très fatigable ou par une voix explosive saccadée et un nasonnement au timbre légèrement soufflé.
La maladie de Parkinson est un autre exemple de ces syndromes; elle se manifeste par une faible intensité, une tonalité aiguë, un léger soufflement du timbre et des attaques vocaliques en "coup de glotte".
Quant aux affections cérébelleuses, on observe une profonde perturbation rythmique et mélodique de la voix avec un timbre à composante soufflée.
Pour le syndrome de la sclérose en plaques, en plus du soufflement, de la fatigabilité et de la faiblesse de l'intensité, il se manifeste par un fondamental inconstant mais monotone accompagné parfois par des émissions bitonales.
2-1-1-3 Perturbations endocriniennes et pharrnacolof:ÏQues
Certaines hormones et produits pharmacologiques ont une répercussion indirecte sur la phonation. L'exemple le plus significatif est la mue observée pendant l'âge de la puberté. Notons aussi une aggravation du fondamental, une diminution de l'agilité vocale et une uniformisation de la mélodie, qui apparaissentà la période ménopausale.
2-1~2Les troubles respiratoires
Toute trachéo-broncho-pneumopathie importante est susceptible de se répercuter sur la phonation en constituant un empêchement mécanique de la respiration phonatoire ou en entraînant des inflammations de contiguïté au niveau du larynx.
Des altérations du geste respiratoire peuvent provenir aussi bien de paralysies que d'atteintes traumatiques des muscles respiratoires constituant le "moteur" de la soufflerie.
2-1-3 Les troubles des cavités de résonance
-31-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
Les pathologies infectieuses et inflammatoires des cavités de résonance influencent par proximité le larynx en favorisant dans celui-ci des sécrétions irritantes qui peuvent être à ['origine d'infection chronique de la muqueuse des cordes vocales.
Les obstructions nasales totales ou subtotales provoquent des hyporhinophonies organiques. Elles affectent le timbre des sons nasalisés
(lf/,
ra/, /0/, /m/, /n/, ... ).Parmi les troubles des cavités de résonance, l'insuffisance vélo-pharyngée gêne beaucoup la phonation. Elle se manifeste par une séparation inadéquate des cavités oro-pharyngée et naso-pharyngée, avec une déperdition anormale d'air par le nez au cours de la parole (rhinolalie ouverte). Dans un certain nombre de cas, se développe un mécanisme partiellement compensateur sous la forme d'une saillie semi-circulaire horizontale dans la paroi postérieure du pharynx: le bourrelet de Passavant (fig. 2.5).
Figure 2-5. Le bourrelet de Passavant
Les symptômes de l'insuffisance vélo-pharyngée sont les suivants:
- lenasonnement caractérisé par une impression d'aggravation de la voix s'accompagnant d'une atténuation de l'énergie acoustique pour les fréquences aiguës en faveur de la zone au-dessous de 1000 Hz,
- le nasillement caractérisé au contraire par une impression de voix plus aiguë pour laquelle l'énergie acoustique est concentrée au-dessus de 2000 Hz,
- distorsions consonantiques par fuite d'air parasite audible surtout pour les occlusives sourdes,
- le souffle et le ronflement nasaux,
- les bruits phonétiques de substitution où le patient tente de remplacer les occlusives par un coup de glotte et les constrictives par un souffle rauque (rétrécissement au niveau des plis vestibulaires).
-32-PARTIE l - CHAPITRE 2
2-2- Les dysphonies dysfonctionnelIes
PATHOLOOIE DE LA VOIX HlJ11Al},'"E
Quand la voix est altérée avec une absence de perturbation anatomo-pathologique et une présence d'un trouble de tonicité musculaire au niveau de l'appareil phonatoire, on parle de dysphonie dysfonctionnelle. Ces dysphonies se caractérisent, au niveau de l'appareil phonatoire, par une dystonie (trouble de la tonicité musculaire) pouvant osciller entre deux pôles antagonistes: l'hypertonie et l'hypotonie.
L'origine de telles dysfonctions peut être l'adoption d'une habitude vocale défectueuse, ou un trouble d'ordre relationnel ou émotionnel. Dans la majorité des cas, la dystonie s'aggrave et s'entretient par un mécanisme dit du "cercle vicieux de l'effort" [Le Huche].
2-2-1 L'habitude vocale défectueuse
Après une déficience de la production de la parole, le phonateur peut ne pas s'affranchir d'une habitude vocale défectueuse acquise pendant la période du "trouble".
Elle comporte deux éléments :
- un élément de rendement énergétique défa vorable où le mouvement fonctionnellement déficient nécessite une dépense énergétique plus importante;
- un élément de déficience quantitative ou qualitative de la production vocale.
Elle peut provenir soit d'un dérèglement mécanique ou fonctionnel du geste phonatoire. Le dérèglement mécanique est tout phénomène d'origine extrinsèque ou intrinsèque perturbant, de manière temporaire ou prolongée, la motricité phonatoire.
Un concept fondamental est que le mécanisme peut régresser entièrement et ne laisser comme séquelle que l'habitude vocale défectueuse à laquelleila donné naissance.
Citons quelques exemples de ce phénomène:
- un laryngite aiguë provoquant un œdème des muqueuses;
- une polypose allergique du nez perturbant la perméabilité et la résonance nasale; - une otite séreuse qui défonne les perceptions auditives du contrôle audio-phonatoire ...
Le dérèglement fonctionnel peut avoir comme origine un "abus" vocal suffisamment prolongé. Il s'agit d'un dérèglement d'un système ou d'un organe qui est appelé à fonctionnerà
son régime maximum trop longtemps ou trop fréquemment. On peut citer comme exemple, la jeune institutrice confrontée à la turbulence d'une classe de trente élèves, dans un local défavorable sur le plan de l'acoustique.
2-2-2 Les troubles relationnels et émotionnels
-33-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
La voix est une expression corporelle qui s'insère dans un comportement d'ensemble. Sa fonction première est une fonction de relation. Chez certains patients, la dysphonie dysfonctionnelle peut se concevoir comme un trouble du comportement vocal du sujet dans la relation avec soi-même ou avec le monde dans sa réalité spatiale, temporelle ou humaine. Toutes les pulsions internes conscientes ou subconscientes et les influences extérieures agissent sur la qualité de la voix.
Le concept de dysphonie de refuge est un exemple de tels troubles relationnels, où le sujet se réfugie plus ou moins inconsciemment dans la dysphonie pour échapper à certaines contraintes qu'il subirait avec une voix toutàfait nonnale (refus de certaines responsabilités...).
Une dysphonie peut aussi prendre naissance àpartir d'un trouble d'ordre émotionnel. En effet, un trouble émotionnel, pouvant signifier une impossibilité d'extériorisation d'un sentiment, peut distordre ou limiter la mobilité du corps par des modifications de la raideur et du tonus musculaires. Ainsi, l'hésitation, l'angoisse et le stress se traduisent par un désordre anarchique du rythme respiratoire, un accroissement de la rigidité musculaire et par des hyper-sécrétions externes au niveau des voies aériennes supérieures. Par contre, les tendances dépressives réduisent l'activité respiratoire et diminuent le tonus musculaire.
Pour le système de production, les dysphonies relationnelles ou émotionnelles ont pour effet une inadaptation des impédances glottique et sus-glottique àla pression sus-glottique et au débit trans-glottique d'une part, et une modification des caractéristiques physiques des muqueuses des cordes vocales et des cavités de résonance, d'autre part.
Sur le plan de la phonation, elles se concrétisent dans le schéma des quatre anneaux de tension:
- 1° anneau: la bouche et les lèvres (lèvres pincées); - 2° anneau: le cou (collier de serrage);
- 3° anneau: la partie haute du thorax et la ceinture scapulaire; - 4° anneau: la sangle alxiominale.
2-2-3 Le cercle vicieux de l'effort vocal [Le Huchel
La prise de conscience d'un fléchissement au niveau de l'expression vocale, dû à une déficience qualitative quelconque, entraîne un processus de compensation. Celui-ci, dans un certain nombre de cas, s'avère inadéquat et provoque un accroissement d'énergie pour une efficacité vocale moindre. Cet accroissement résulte de l'entretien de contractions musculaires extra-phonatoires parasites, qui réduisent l'efficience du geste phonatoire. Globalement l'effort vocal manque son but de compensation et entraîne la fatigue.
Les portes d'entrée dans le cercle vicieux de l'effort sont multiples:
-34-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOOIE DE LA VOIX HUMAINE
- fatigue générale ou vocale, phénomène organique ou fonctionnel entraînant une diminution de la puissance, l'apparition d'une composante soufflée dans le timbre, dérèglement de l'intonation ...
- manque de "portée" de la voix sur le plan signifiant qui provoque une modification du geste phonatoire quand le locuteur prend conscience du manque de "prise" sur son auditeur.
2-2-4 QuelQues exemples particuliers de dvsphonies dysfonctionnelles
2-2-4-1 Les troubles vocaux de la mue
La mue nonnale consiste en une augmentation de taille importante du larynx, avec un accroissement des dimensions des cordes vocales. Elle apparaîtàl'âge de 10-12 ans chez la fille et 11-13 ans chez le garçon et dure en moyenne de 6à 12 mois. Elle s'accompagne d'une baisse du fondamental d'environ 1 octave chez le garçon et d'une tierce chez la fille.
La période transitoire de la mue se traduit par une dysphonie caractérisée par : - une raucité du timbre, plus ou moins permanente;
- des sauts brusques d'une octave du fondamental; - des bitonalités par intermittence.
Parfois on observe en laryngoscopie, une béance glottique postérieure pendant la
phonation (fig 2-6).
Figure 2-6. Béance glottique postérieure
La mue peut persister au delà de l'âge nonnal de son apparition et le sujet continue à
parler dans le registre de fausset. L'origine d'une telle prolongation est exclusivement psychogène d'ordre caractériel et relationnel.
2-2-4-2 L'aphoniepsyçho~ène
-35-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
D'origine soudaine, en rapport avec un contexte émotionnel ou relationnel, elle se caractérise cliniquement par une voix réduite au chuchotement. Au niveau glottique, elle se manifeste par une dyskinésie majeure qui se présente soit sous la forme d'une absence totale ou partielle d'adduction des cordes vocales, soit sous la forme d'une occlusion de la glotte juste
av~mtlatentative d'émission.
2-3 Conclusions
2--:;-1 Ambivalence nosologique des troubles vocaux
Nous avons vu que la plus grande partie des maladies de la voix font intervenir pathogéniquement les deux pôles organique et fonctionnel. Le rapport entre ces deux composantes peut, de manière schématique, revêtir deux aspects:
- le geste phonatoire défectueux d'origine fonctionnelle, une fois passé à la chronicité, entraîneàla longue des modifications anatomiques du vibrateur laryngé;
- une gêne organique, de quelque ordre qu'elle soit, qui vient perturber le geste de l'émission vocale, déclenche de la part de l'appareil phonatoire une tentative de compensation, qui manquant totalement ou partiellement son but de correction, fait entrer le sujet dans le cercle vicieux de l'effort vocal. Nous avons vu aussi que le geste fonctionnellement défectueux résultant, peut persister bien après la régression du trouble vocal.
2-3-2 Vers un système automatique d'aide au dia~ostic
A l'issu de ce chapitre, nous pouvons d'ores et déjà émettre quelques réflexions concernant le système que nous nous proposons d'élaborer.
Tout d'abord, vu la complexité et l'ambiguïté des origines des troubles vocaux, l'objectif du système se limite à fournir des paramètres "objectifs" pouvant consolider les sensations de l'oreille bien entraînée du praticien, sans prétendre le remplacer (le diagnostic est du seul ressort du praticien). Par paramètre objectif, nous entendons une mesure quantitative déduite directement ou indirectement du signal de parole. Nous chercherons donc à établir une correspondance entre le système physiologique et un "modèle mathématique", pouvant caractériser de façon univoque toute modification physiologique dueàun trouble organique ou fonctionnel.
Enfin, vu l'incidence directe ou indirecte de la majorité des pathologies sur le mode vibratoire du larynx, nous concentrerons une grande partie de notre effort sur la détection non
-36-PARTIE l - CHAPITRE 2 PATHOLOGIE DE LA VOIX HUMAINE
invasive de l'activité glottique en vue d'en extraire des indices décrivant au mieux le mode vibratoire.
PARTIE
II
3- THEORIE ACOUSTIQUE DE LA PRODUCTION
DE LA PAROLE
PARTIE II- Chapitre 3 Théorie acoustique de la production de la parole
THEORIE ACOUSTIQUE DE LA PRODUCTION DE LA PAROLE
Le premier moyen de la communication humaine est la parole; profitant de sa vie dans l'atmosphère, l'homme a appris àcommuniquer en utilisant les possibilités oscillatoires de l'air. Au niveau acoustique, les signaux de parole consistent donc en une rapide t1uctuation de la pression de l'air, générée et émise par l'appareil phonatoire.
Dans ce chapitre, nous commençons par présenter les lois physiques régissant d'une part une telle génération au niveau de l'appareil vocal, et d'autre part le rayonnement du son vers l'extérieur. Nous décrirons ensuite un modèle simplifié dont les équations permettent l'utilisation d'un modèle "mathématique" numérique en vue de l'analyse et de la synthèse de la parole.
3-1 Eléments de la théorie de la propagation de l'onde sonore dans le système
vocal
3-1-1 Introduction
Pour une description quantitative complète de la génération et de la propagation de l'onde sonore dans le système vocal, diverses lois physiques interviennent, telles que:
- les lois fondamentales de conservation de masse, de moment et d'énergie, - les lois de la thermodynamique,
- les lois de la mécanique des t1uides compressiblesàfaible viscosité (l'air).
L'ensemble de ces lois peut conduire
à
un système d'équations différentielles décrivant le mouvement de l'air dans le système vocal dont la formulation et la résolution s'avèrent difficiles et ne conduisent pas à des solutions analytiques simples.En outre, une théorie acoustique détaillée doit tenir compte des facteurs suivants: - la variation dans le temps de la forme du système vocal (articulation),
- les pertes d'énergie causées par la conduction thennique et par les frottements visqueux, - l'élasticité des bords latéraux du conduit vocal,
- le couplage nasal,
- le rayonnement de l'onde sonore par les lèvres et les narines, - le type de l'excitation du conduit vocal.
-41-PARTIE II - Chapitre 3 Théorie acoustigue de la prcxiuction de la parole
C ne telle étude aussi détaillée n'est pas dans l'optique de ce chapitre et nous renvoyons le lècteur intéressé aux références [Fant, 1970] [Flanagan, 1972]. Nous nous contentons de poser lès hypothèses de départ permettant de simplifier l'étude et de décrire certains paramètres acoustiques qu'on utilisera dans la suite.
3-1-2 Hvpothèses
- On considère que le système vocal est mcxiélisé par un tube acoustique dont l'aire de la section est non uniforme et variable dans le temps.
- Pour la bande de fréquences inférieures
à
4 kHz, jugée suffisante pour la perception (cf. bande téléphonique: 300-3400 Hz), les longueurs d'ondes étant grandes relativement aux dimensions du conduit vocal, on suppose que l'onde sonore est plane et se propage le long de l'axe du tube.- Les pertes de conduction thermique et des frottements de viscosité sont négligeables.
3-1-3 Equations de propagation
Sous les conditions des hypothèses ci-dessus et partant des lois de conservation de masse, du moment et de l'énergie, Portnoff a montré que l'onde sonore dans le tube satisfait à
la paire d'équations
d(~î
~- ~
- dX -
P dt
(3-l-a)dU __
l_d(pA) +dA
(3-l-b)- dX -
pc2dt
dtOl!P
=
P(x,t) est la variation de la pressionà un instant t et à la position x,u
=
u (x,t) la vitesse de déplacement d'un volume élémentaire d'air ou vitesse volumique (débit), pla densité de l'air, c la vitesse du son dans l'air et A=
A (x,t) la surface de la section normaleà
l'axe du tube.Nous remarquons la non linéarité du système (3-1) qui empêche toute tentative de résolution de type analytique dans des conditions générales; par contre un calcul numérique des solutions peut être mené àcondition d'avoir des connaissances sur:
-42-PARTIE II- Chapitre 3 Théorie acoustigue de la production de la parole
- les conditions aux limites au niveau des lèvres et de la glotte, - la nature de l'excitation,
- la fonction d'aire.
Pour cette dernière, on peut supposer, pour des sons stables (voyelles soutenues par exemple), qu'elle ne varie pratiquement pas ou très peu en fonction du temps; cependant la difficulté de mesure de cette fonction subsiste. Les rayons X ont été utilisés comme moyen direct de mesure [Fant, 1970] et [Perkell, 1969], cependant, une méthode directe d'extraction de la fonction d'aire à partir du signal de parole a été proposée par Atal [Atal, 1974].
Dans la suite, nous décrirons des modèles plus simples qui certes ne tiennent pas compte de tous les facteurs intervenant, mais qui possèdent toutefois l'avantage de donner un bon aperçu sur la nature du signal de parole.
3-2 Les modèles physiques de la production sonore basés sur la théorie acoustique
3-2-1 Modèles du tube unifonne
3-2-1-1 Tube unifonne sans perte
Un premier aperçu sur la nature du signal vocal repose sur l'hypothèse simplificatrice qui consisteàsupposer que le conduit vocal est un tube àsection unifonne pour lequel on néglige toutes les formes de pertes. La figure 3-1-a schématise un tube uniforme excité par une source idéale représentée par un piston causant des perturbations de courant d'air indépendamment de la variation de pression dans le tube(hypothèse de non couplage entre la source et le système).
Dans ces conditions les équations (3-1) deviennent ~
_ E.-
au
-ox -
Aot
-43-(3-2-a)
